Aria in movimento

È difficile costruire un modello della circolazione atmosferica, perché moltissimi fattori concorrono agli spostamenti delle masse d'aria nell’atmosfera; tuttavia, il principio fondamentale è che i gas che costituiscono l'atmosfera tendono a mettersi in una situazione di equilibrio, che prevede una distribuzione uniforme di energia, uniformando le temperature e le pressioni sull'intero pianeta. Il "motore" della circolazione atmosferica è perciò dato dalla ridistribuzione dell'energia ricevuta dal Sole. L'irraggiamento solare, infatti, è diverso alle diverse latitudini, per cui le regioni equatoriali sono più calde di quelle polari. L'atmosfera tenta di riequilibrare questa differenza muovendo masse di aria calda dalle regioni dove vi è un eccesso di calore verso regioni più fredde, nel tentativo di ridurre la differenza di temperatura tra equatore e poli.

Le differenze di temperatura si traducono immediatamente in differenze di pressione all'interno delle masse d'aria: sono proprio le differenze di pressione che provocano lo spostamento dell'aria. Zone di bassa pressione richiamano aria dalle zone dove la pressione è più elevata. Viceversa, l'aria tende ad allontanarsi dalle aree di alta pressione, spostandosi verso zone di minor pressione. La velocità dello spostamento è direttamente proporzionale alla differenza di pressione tra due punti. In condizioni ideali, se la Terra fosse immobile e in mancanza di attrito o ostacoli, il flusso d'aria sarebbe diretto perpendicolarmente alle isobare (le linee che collegano punti di uguale pressione), secondo il cosiddetto gradiente barico, seguendo una traiettoria che permette all'aria di compiere il tragitto più breve dall'area di alta pressione a quella di bassa pressione. Molti fattori, però, concorrono nel deviare il flusso dell'aria dalla situazione ideale.

Un po’ di fisica: l’effetto Coriolis

L’effetto Coriolis, dal nome del fisico Gaspard Coriolis che lo postulò nel XIX secolo, è un effetto che si esplica sui corpi in movimento sulla superficie terrestre, a causa della rotazione della Terra. Viene anche chiamato forza di Coriolis, ma la definizione è impropria in quanto non è una vera e propria forza, anche se i suoi effetti appaiono tali ad un osservatore all’interno del sistema. Per effetto della rotazione terrestre, qualunque oggetto che viaggi in linea retta subirà una deviazione della traiettoria che lo porterà lontano dal punto desiderato, a meno che non effettui continue variazioni di rotta.

Alte e basse pressioni

Se si osserva una carta delle isobare, si può notare come la pressione non sia distribuita uniformemente nell'atmosfera del nostro pianeta: vi sono zone dove le pressioni sono minori che nelle aree circostanti e zone dove le pressioni sono maggiori. Per le proprietà dei gas, l'aria tende a muoversi dalle aree di alta pressione verso quelle di bassa pressione, nel tentativo di equilibrare la differenza. La presenza di zone di alta e di bassa pressione è quindi il motore principale di tutti i fenomeni meteorologici e, in sostanza, del "tempo".

Fronti caldi

Se, al contrario, è la massa d'aria calda ad essere in movimento verso quella fredda, la massa d'aria calda scivola lentamente su quella fredda, innalzandosi adagio lungo una superficie vasta e poco inclinata: in questo caso si parla di fronte caldo, e anch'esso porta nubi e sistemi di perturbazioni. I margini di un fronte caldo sono meno netti di quelli di un fronte freddo, i cambiamenti sono più graduali e le perturbazioni arrivano più lentamente. Il passaggio di un fronte caldo è segnato da un aumento delle temperature, una diminuzione della pressione e piogge persistenti, ma di moderata intensità.

Le cellule di circolazione

Dall'equatore fino a 30° di latitudine (N o S), si stabilisce la cellula di Hadley. Nella regione equatoriale, l'aria si riscalda e sale, creando un'area di bassa pressione. L'aria tenderebbe a spostarsi verso N lungo i meridiani, ma nell'emisfero boreale, per effetto Coriolis, il flusso viene deviato verso NE e ridiscende intorno al 30° parallelo, portandovi aria calda e umida. Una volta discesa, l'aria viene nuovamente richiamata verso l'equatore, a causa della bassa pressione ivi esistente, viaggiando, questa volta, da NE a SW, sempre per effetto Coriolis: questo movimento origina, al suolo, i venti alisei di NE.

I venti sono spostamenti orizzontali più o meno rapidi di masse d'aria causati da differenze nella distribuzione delle pressioni. Poiché le variazioni di pressione sono per lo più dovute a variazioni di temperatura, ne deriva che il principale motore del vento è la differenza di irraggiamento solare nelle varie regioni del globo.

La direzione del vento. Ogni vento è caratterizzato da una direzione in cui si muove e da una velocità. Normalmente, quando si parla della direzione del vento, ci si riferisce alla direzione dalla quale proviene: venti occidentali, per esempio, sono venti che spirano da W verso E. Le masse d'aria tenderebbero a muoversi perpendicolarmente alle isobare, seguendo il gradiente barico, cioè la differenza di pressione che muove le masse d'aria, ma l'effetto Coriolis ne devia la traiettoria. In condizioni ideali di assenza di attrito, dove la forza del gradiente barico e l'effetto Coriolis sono uguali e contrari, i venti si muovono parallelamente alle linee isobare, lasciando alla propria destra le aree di alte pressioni nell'emisfero settentrionale, alla propria sinistra nell'emisfero meridionale: questi sono i cosiddetti venti geostrofici, venti, per così dire, "ideali". Al suolo, in generale, l'attrito con la superficie terrestre causa deviazioni nella direzione del vento, e soltanto i venti a quote superiori ai 1.500 m sono molto prossimi ai venti geostrofici.

I venti al suolo

Si distinguono venti al suolo, che si muovono negli strati più bassi della troposfera, e venti in quota. Per quanto riguarda i venti al suolo, si possono distinguere venti periodici locali, come le brezze costiere e le brezze nelle valli, che si formano per il diverso riscaldamento dovuto all'irraggiamento differenziale, e venti a carattere globale, le cui direzione e intensità dipendono dalla distribuzione delle grandi cellule di pressione sull'intero globo. Dalle cellule anticicloniche subtropicali spirano verso le aree di bassa pressione equatoriali gli alisei, venti molto costanti che hanno direzione E-NE nel nostro emisfero e E-SE nell'emisfero australe.

I venti in quota

In teoria, ci si dovrebbe aspettare che i venti al suolo siano accompagnati, in quota, negli strati più alti della troposfera, da venti analoghi, ma in senso contrario. In realtà osservazioni fatte mostrano che al di sopra dei 4-5.000 m in quota esistono soltanto correnti occidentali, che si muovono da W verso E seguendo grossomodo l'andamento dei paralleli. Soltanto al di sopra dell'equatore vi è una stretta fascia di venti orientali, probabilmente connessi con la zona di convergenza degli alisei.

Il fohn

Il termine Fohn è un termine dialettale tirolese che indica un tipo particolare di vento caratteristico dell'arco alpino, ma che si verifica, naturalmente, anche nella maggior parte delle altre catene montuose. Si genera quando una massa d'aria calda e umida in movimento incontra sul suo cammino un rilievo montuoso. L'inerzia del movimento spinge la massa d'aria contro il rilievo e l'aria è costretta risalire lungo i versanti montuosi. Durante la risalita l'aria si raffredda e si espande: diviene così satura di vapore acqueo, forma nubi e si libera dell'umidità in eccesso sotto forma di abbondanti precipitazioni liquide o nevose.

Le correnti a getto

Le correnti a getto sono particolari evoluzioni dei venti in quota. Sono correnti d'aria in rapido movimento a causa di differenze di pressione dovute a differenze di temperatura in corrispondenza di incontri di grandi masse d'aria. Sono state scoperte casualmente durante la Seconda Guerra mondiale da aerei americani in volo verso il Giappone. La velocità minima per definire una corrente a getto è 50 nodi, circa 90 km/h; tuttavia, le correnti a getto in genere hanno velocità molto superiori, tra i 160 e i 250 km/h, con punte massime di 320 km/h.

Le nubi sono formate da microscopiche gocce d'acqua o da piccoli cristalli di ghiaccio. Le dimensioni delle goccioline sono in genere comprese tra qualche micron e 100 micron: questo è il limite tra le gocce di nube e le gocce di pioggia.

La forma delle gocce è generalmente sferica, ma può variare, soprattutto nelle gocce di maggiori dimensioni, che sono deformate dalla gravità.

L'acqua nell'atmosfera: evaporazione e condensazione. L'evaporazione da masse d'acqua o l'evapotraspirazione da suoli e vegetazione forniscono all'atmosfera grandi quantità di vapore acqueo. Per quanto abbondante, la quantità di vapore acqueo fornita all'atmosfera dai processi di evaporazione in genere non è sufficiente a far raggiungere all'aria il valore necessario alla saturazione. La saturazione e la conseguente condensazione del vapore in gocce di acqua liquida sono quindi in genere causate da un raffreddamento della massa d'aria al di sotto della temperatura di condensazione, detta anche punto di rugiada.

La condensazione avviene con il passaggio dallo stato gassoso allo stato liquido di una parte del vapore acqueo in eccesso, sotto forma di microscopiche gocce d'acqua. Perché avvenga condensazione, tuttavia, il raggiungimento del punto di rugiada non è sufficiente: occorre che siano presenti i cosiddetti nuclei di condensazione, piccole particelle (di dimensioni comprese tra 0,001 e 10 micron) sulle quali le minuscole gocce d'acqua possono condensare. I nuclei di condensazione normalmente presenti nell'atmosfera sono cloruri di sodio, solfati, particelle carboniose e pulviscolo

atmosferico e possono essere presenti per cause naturali (per esempio, aerosol marini trasportati dal vento, ceneri provenienti da attività vulcanica) oppure dovuti all'attività umana (prodotti dalla combustione di combustibili fossili, per esempio). tanto più i nuclei sono grandi e igroscopici (capaci, cioè, di attirare a sé molecole d'acqua) tanto più efficace è il loro ruolo nel favorire i processi di condensazione. Se le temperature sono basse, l'acqua condensa sotto forma di cristalli di ghiaccio, ma necessita sempre di nuclei detti, in questo caso, di cristallizzazione.

Formazioni delle nubi

La formazione delle nubi è, in apparenza, un processo molto semplice, dovuto alla condensazione dell'umidità atmosferica in gocce d'acqua, ma nella realtà si tratta di un processo complesso, in cui entrano diversi fattori e diversi meccanismi. Tutti i processi hanno comunque alla base l'ascesa di una massa d'aria umida e il successivo raffreddamento fino al punto di rugiada. In questo processo una massa d'acqua o l'umidità del suolo evaporano per azione della radiazione solare e si forma un volume d'aria calda e umida che lentamente inizia a salire, essendo l'aria calda e umida più leggera di quella circostante.

Come si muovono

Contributo del Sole: ascesa per convezione. L'irraggiamento solare è la prima e più evidente causa di ascesa di masse d'aria calda e umida: l'aria viene riscaldata sia per assorbimento diretto della radiazione solare, sia per convezione al di sopra del suolo che cede calore.

Contributo delle montagne: ascesa orografica. Il processo è del tutto analogo al precedente, ma in questo caso la causa dell'ascesa della massa d'aria calda e umida è la topografia: quando una massa d'aria in movimento incontra un rilievo, è forzata a risalire lungo le pendici, innalzandosi e raffreddandosi.

Diverse forme

Gli strati (St) sono nubi distese di bassa quota, generalmente grigie, che appaiono coprire il cielo uniformemente o su più livelli. Lo spessore dello strato può variare da 15 a 800 km. La forma e le superfici regolari sono dovute al fatto che all'interno di queste nubi mancano i fenomeni convettivi interni, che danno alle nubi le loro forme bizzarre. A questa categoria di nubi appartengo anche i banchi di nebbia. Possono dare luogo a pioviggine o nevischio.

Diverse quote

Le nubi basse raggiungo un limite massimo di 1.800 m, mentre il limite inferiore può trovarsi a livello del suolo. A questa categoria appartengono gli strati, i nembo strati, gli stratocumuli e i cumuli.
Le nubi medie si trovano a quote comprese tra i 2.000 e i 6.000 m. A questa categoria appartengono gli altostrati e gli altocumuli, ma a queste quote si trovano spesso nubi che transitano dagli strati più bassi a quelli più elevati.
Le nubi alte possono giungere al limite della troposfera. Sono per lo più costituite da cristalli di ghiaccio, e non da gocce d'acqua, a causa delle basse temperature. A questa categoria appartengono i cirri, i cirrocumuli e i cirrostrati.